DE1512830B2 - Blindwiderstandsfreie gabelschaltung zur rueckhoerdaempfung fuer fernsprechapparate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fernsprecher-Sprechnetzwerk unter Verwendung von Ohmschen Gabelschaltungen zur Rückhördämpfung.

Zweidraht-Fernsprecherschaltungen enthalten üblicherweise eine Gabelschaltung, in der das Mikrophon (Sprechkapsel) und das Telephon (Hörkapsel) zueinander konjugiert angeordnet sind. Im Ergebnis treten in der Sprechkapsel oder in der Hörkapsel erzeugte Signale in der jeweils anderen Kapsel stark, aber nicht vollständig gedämpft auf. Genauer gesagt teilt sich die in der Sprechkapsel erzeugte Signalenergie zwischen zwei benachbarten Induktionsspulen in Abhängigkeit von der Impedanzanpassung zwischen dem Netzwerk und der Teilnehmerleitung auf. Ein Anteil der Energie fließt zur Teilnehmerleitung, und der andere Teil wird in der Nachbildung vernichtet. Auf Grund der relativen Polung der miteinander gekoppelten Spulen löscht sich deren Induktionswirkung aus, so daß nur eine sehr kleine Rückhörenergie auf die Hörkapsel gekoppelt wird. Die Größe des Rückhörens, die zu einer Annäherung der Güte bei einem direkten Gespräch führt, wird durch die Impedanzanpassung zwischen dem Netzwerk und. der Teilnehmerleitung eingestellt.

Wegen der unerwünscht großen und teuren Induktionsspulen von Fernsprecher-Gabelschaltungen sind Sprechschaltungen ohne solche Spulen entwickelt worden. Dort wird die Funktion der Gabelschaltung von einem Widerstandsnetzwerk übernommen. Solche Schaltungen sind beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 1 031 357 beschrieben. Die Vermeidung von Induktionsspulen in den Sprechschaltungen von Fernsprechern hat auf Grund neuerer Fortschritte bei integrierten und Dünnfilmschaltungen zunehmende Bedeutung erlangt. Insbesondere bei Schaltungen ohne Induktivitäten haben diese Fortschritte zu einer wesentlichen Herabsetzung der Größe und Herstellungskosten und zu bedeutsamen Verbesserungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit geführt.

Trotz der Vorteile von Ohmschen Gabelschaltungen gegenüber Schaltungen unter Verwendung von Induktionsspulen weisen alle bekannten Fernsprech-Gabelschaltungen den gemeinsamen Nachteil niedrigen Sende-Wirkungsgrades auf. Genauer gesagt, handelt es sich bei diesem Nachteil um die Vernichtung im wesentlichen einer Hälfte der in der Sprechkapsel erzeugten Signalenergie im Ausgleichsnetzwerk der Gabelschaltung. Die Bedeutung dieses 'Umstandes läßt sich leicht erkennen, wenn man sich vergegenwärtigt, daß unter idealen Bedingungen die Ausschaltung dieser Energieverluste die Verwendung von Fernsprechleitungen ermöglichen würde, die theoretisch eine um 6 db größere Spannungsdämpfung als heute übliche Leitungen aufweisen. Dies könnte gegebenenfalls zu Einsparungen bei den Fernsprechleitungen oder zu einer Vergrößerung des Bereiches von Fernsprechapparaten" auf üblichen Leitungen führen. Zusätzlich zu der Tatsache, daß bekannte Ohmsche Gabelschaltungen keine Lösung des bei allen Gabelschaltungen von Natur aus vorhandenen Problems hinsichtlich der Leistungsverluste gebracht haben, standen weitere ungelöste Probleme einer umfangreichen kommerziellen Anwendung von Ohmschen Gabelschaltungen für Sprechnetzwerke im Wege. Beispielsweise läßt sich ein im wesentlichen Ohmscher Scheinwiderstand des Fernsprechers, der zur Erzielung einer idealen Impedanzanpassung zwischen dem Fernsprecher und der Teilnehmerleitung erforderlich ist, wegen des induktiven Blindwiderstandes der üblichen Hörkapseln unter bestimmten Bedingungen nur schwer erreichen. Ein weiteres Problem betrifft das Erfordernis, den Gleichstrom-Eingangswiderstand des Fernsprechers im wesentlichen unabhängig vom Widerstand des Kohlemikrophons zu machen, das zu sprunghaften Widerstandsänderungen neigt. Diese Probleme treten verschärft in solchen Fernsprechern auf, in denen Transistorverstärker in Verbindung mit dem Mikrophon verwendet werden.

Eine Lösung der aufgezeigten Probleme wird entsprechend den Grundgedanken der Erfindung bei einer Fernsprecher-Sprechschaltung unter Verwendung einer Ohmschen Gabelschaltung erreicht, bei der die konjugierten Hör- und Sprechzweige je einen Transistorverstärker enthalten und bei der der Hörzweig mit seinem zugeordneten Verstärker direkt über dem durch die Impedanz der Teilnehmerleitung gebildeten Gabelzweig liegt. Die übrigen Zweige der Gabelschaltung enthalten zwei individuelle Widerstandsarme und einen Netzwerkimpedanzarm. Erfindungsgemäß kann der Netzwerkimpedanzarm einen einzigen Widerstand oder in Abhängigkeit von der Impedanz der Leitung ein Widerstands-Kapazitäts-. netzwerk aufweisen, das mit Vorteil aus verteilten Elementen besteht, oder alternativ kann ein Widerstands-Kapazitätsnetzwerk zusammen mit einem Verstärker vorgesehen sein, wobei die Kombination so geschaltet ist, daß die sich ergebende Zweipol-Impedanz dieses Armes als Kehrwert des Widerstands-Kapazitätsnetzwerkes erscheint.

Zur Erläuterung eines Merkmals der Erfindung läßt sich der in Reihe mit dem Hörer verwendete Verstärker als Stromgenerator ansehen, dessen Strom von der Symmetrie der Gabelschaltung bestimmt wird. Die Eingangsimpedanz des Fernsprechers wird in hohem Maße durch die Hörer-Stromgeneratorschaltung statt durch eine herkömmliche Netzwerkimpedanz bestimmt, und folglich kann die Netzwerkimpedanz verhältnismäßig groß mit Bezug auf die Leitungsimpedanz gemacht werden. Die Rückhördämpfung wird bestimmt durch Verhältnisse, die sich aus der Leitungsimpedanz, dem Netzwerk und den beiden reinen Widerstandszweigen zusammensetzen. Wenn die Netzwerkimpedanz groß gewählt ist, fließt scheinbar der gesamte Sprechstrom zur Leitung, und es wird die Vernichtung von Sprechsignalleistung in der Gabelschaltung vermieden.

Mit der Erfindung lassen sich bei Gabelschaltungen zur Rückhördämpfung verbesserte Betriebseigenschaften und ein günstigerer Aufbau erreichen. So werden die bei bekannten Fernsprech-Sprechschaltungen benutzten Induktivitäten vermieden. Die in Ohmschen Gabelschaltungen auftretenden Leistungsverluste sind verringert, und der störende Einfluß der Hörerimpedanz auf die Eingangsimpedanz eines Fernsprechapparates unter Verwendung einer Ohmschen Gabelschaltung ist herabgesetzt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen noch näher beschrieben. Es zeigt.

F i g. 1 ein Funktionsschaltbild einer Ohmschen Gabelschaltung nach dem Stand der Technik,

F i g. 2 ein Funktionsschaltbild einer verbesserten Ohmschen Gabelschaltung,

F i g. 3 eine Schaltung gemäß der Erfindung,

F i g. 4 das Schaltbild eines Fernsprecher-Sprechnetzwerkes nach der Erfindung. .

" Bekannte Ohmsche Gabelschaltungen bestehen allgemein aus der in F i g. 1 gezeigten Anordnung einer Wheatstoneschen Brücke. Die Zweige oder Arme dieser Brücke enthalten ein Mikrophon T, einen Hörer R, eine Leitungsimpedanz L, ein Impedanznetzwerk JV, einen ersten Ohmschen Widerstand R1 und einen zweiten Ohmschen Widerstand R 2. Die Zweige L, N, Rl und Rl sind je in Form eines einzelnen Widerstandes dargestellt. Entsprechend den jeweiligen Verhältnissen kann jeder oder können alle diese Zweige jedoch eine Vielzahl von individuellen Bauteilen oder Netzwerken mit verteilten Elementen enthalten.

Die Art und Größe der Impedanzen N, Rl und Rl sind so gewählt, daß sich ein vorgegebenes Impedanzverhältnis mit Bezug auf die Impedanz der Leitung ergibt. Wenn das gewünschte Impedanzverhältnis erreicht ist, tritt die Spannung Null zwischen den Knoten c und d, zwischen denen der Hörer R liegt, auf, wenn ein Strom vom Mikrophon T erzeugt wird. Die Forderung bezüglich der Rückhördämpfung ist damit erfüllt, da nur ein kleiner Bruchteil der Energie vom Mikrophon T auf den Hörer R übertragen wird.

In der Brückenschaltung nach F i g. 1 setzt sich unter der Annahme,.daß das Mikrophon eine Stromquelle ist, die Eingangsimpedanz des Fernsprechapparates aus dem Netzwerk JV in Reihe mit der Kombination des Hörers R und der Widerstände R1 und Rl zusammen. '

Diese Impedanz läßt sich wie folgt ausdrücken:

(Rl + Rl)R Rl + Rl + R

+ N

(1)

Im praktischen Fall muß die Netzwerkimpedanz in Reihe mit dem Hörer etwa der Leitungsimpedanz entsprechen, um die richtige Impedanzanpassung zu erreichen. Im Sendefallteilt sich der Mikrophonstrom i_T in den Leitungsstrom i_L und den Netzwerkstrom i_N auf. Die Beziehung zwischen dem Leitungsstrom i_L und dem Mikrophonstrom i_T läßt sich an Hand der Brückenimpedanzen wie folgt ausdrücken:

JV + Rl

JV + Rl + L+Rl

Sendefall

(2)

45

Auf Grund der oben angegebenen Forderungen bezüglich der Eingangsimpedanz des Netzwerkes JV und des Hörers R wird die Aufteilung des Mikrophonstromes zwischen der Netzwerkimpedanz JV und der Leitungsimpedanz L etwa bei je 50% für jeden Zweig liegen. Anders gesagt, etwa die Hälfte des vom Mikrophon erzeugten Stromes geht in der Netzwerkimpedanz JV verloren, während die andere Hälfte über die Leitungsimpedanz L fließt. Bei allen bekannten Fern-Sprechern wird also die Hördämpfung auf Kosten eines beträchtlichen Verlustes erreicht.

Im Empfangsfall teilt sich der Strom zwischen dem Hörer R und den Impedanzen R1 und Rl entsprechend dem folgenden Ausdruck:

Rl + Rl

Rl + Rl + R

Empfangsfall,

(3)

wobei i_R der Hörerstrom und i_in der Eingangsstrom sind. Die zum Hörer R gelangende Leistung wird verringert, da der Hörer in Reihe mit dem Netzwerk JV geschaltet ist. Im allgemeinen ist die Impedanz des Hörers R im wesentlichen induktiv und daher für sich genommen als Eingangsimpedanz nicht geeignet. Folglich muß die Eingangsimpedanz des Fernsprechapparates zu einem wesentlichen Teil aus der Netzwerkimpedanz JV bestehen.

Der Einfluß der Hörerimpedanz auf die Eingangsimpedanz des Fernsprechapparates läßt sich ausschalten oder wenigstens wesentlich herabsetzen, indem die Brückenschaltung nach F i g. 1 entsprechend F i g. 2 abgeändert wird. Dabei wird ein Stromverstärker oder eine Stromquelle A so eingeschaltet, daß die Knotenpunkte c und d kurzgeschlossen werden und der über diesen Kurzschluß fließende Strom um den Verstärkungsfaktor β verstärkt wird, wobei der verstärkte Strom ßi_s der Hörerstrom i_R ist. In diesem Fall besteht die Eingangsimpedanz Z_in nur aus der Netzwerkimpedanz JV:

Z_1n = JV.

Im Sendefall ist für die Schaltung nach F i g. 2 das Verhältnis zwischen dem Leitungsstrom i_L und dem Mikrophonstrom i_T das gleiche wie in Gleichung (2), wenn man annimmt, daß die Brücke abgeglichen ist. Der Einfluß der Impedanzen R1 und Rl auf das Verhältnis zwischen dem Hörerstrom i_R und dem Eingangsstrom i_in des Fernsprechapparates ist jedoch für den Empfangsfall ausgeschaltet, und das Stromverhältnis läßt sich wie folgt ausdrücken:

30-

Empfangsfall.

Der Hörerstrom i_R kann etwa gleich dem Eingangsstrom i_in gemacht werden, indem man einen verhältnismäßig großen Verstärkungsfaktor β von beispielsweise etwa 30 bis 40 für den Empfangsverstärker A benutzt. Die Brückenschaltung gemäß F i g. 2 stellt eine wesentliche Verbesserung der Leistungsübertragung im Empfangsfall dar, da der Hörer jR nicht mehr in Reihe mit dem Netzwerk JV liegt. Die Stromaufteilung im. Sendefall ist jedoch nicht besser geworden.

In der Brückenschaltung nach F i g. 2 weist der den Hörer R und den Stromverstärker A enthaltende Zweig eine verhältnismäßig hohe Impedanz auf, so daß sich seine Lage ohne Einfluß auf den Abgleich der Brücke ändern läßt.

Erfindungsgemäß kann, wie in F i g. 3 gezeigt, der Hörer R und der Verstärker A mit Vorteil parallel zur Leitungsimpedanz L gelegt werden. In diesem Fall setzt sich der Eingangsstrom i_in aus dem Strom über das Netzwerk i_N und dem Strom über den Hörer und den Verstärker i_R zusammen. Der Strom über den Hörer i_R ist jedoch um den Verstärkungsfaktor β größer als der Netzwerkstrom i_N. Die Eingangsimpedanz Z;„ läßt sich wie folgt ausdrücken:

Z_in =

Der Ausdruck für das Verhältnis zwischen dem Leitungsstrom i_L und dem Mikrophonstrom i_T im Sendefall ändert sich nicht und ist in Gleichung (2) angegeben. Im Empfangsfall läßt sich das Verhältnis zwischen dem Hörerstrom i_R und dem Eingangsstrom i_in wie folgt ausdrücken:

Empfangsfall.

Die Forderung für eine Rückhördämpfung bleibt gleich und läßt sich an Hand der folgenden Impedanzverhältnisse ausdrücken:

L	Rl
N	Rl
L	N

Rl

Rl

(8)

IO

Bei der erfindungsgemäßen Brückenschaltung nach F i g. 3 kann die Netzwerkimpedanz N unter Beibehaltung der richtigen Eingangsimpedanz verhältnismäßig groß gemacht werden. Dann kann auch die Impedanz Rl zum Abgleich der Brücke verhältnismäßig groß sein. Dadurch wird der Sendewirkungsgrad wesentlich verbessert. Wenn beispielsweise die Netzwerkimpedanz N etwa 40mal so groß ist wie die Leitungsimpedanz L, fließen etwa 97% des Mikrophonstromes über die Leitungsimpedanz L, und es werden nur etwa 3% dieses Stromes in der Netzwerkimpedanz N vernichtet. Der Sendewirkungsgrad des Netzwerkes ist also etwa verdoppelt worden. Außerdem wird erfindungsgemäß, wenn der Stromverstärkungsfaktor β groß ist, beispielsweise etwa .40 beträgt, der gleiche Wirkungsgrad für den Empfangsfall erreicht, da etwa 97% des Eingangsstromes über den Hörer jR fließen.

Die funktionelle Brückenschaltung nach F i g. 3 läßt sich erfindungsgemäß in Form eines vollständigen, praktisch ausgeführten Fernsprecher-Sprechnetzwerkes der in der Schaltung gemäß F i g. 4 gezeigten Art verwirklichen. Bevor diese Schaltung im einzelnen beschrieben wird, dürfte es zweckmäßig sein, die einzelnen, den Zweigen der Brückenschal lung nach F i g. 3 entsprechenden Schaltelemente in F i g. 4 anzugeben. Das Netzwerk N ist als Impedanz Z_n dargestellt, die entsprechend den jeweiligen Umständen ein verteiltes RC-Netzwerk oder, wie gezeigt, ein einfacher Widerstand sein kann. Die Brückenimpedanz.R2 ist durch die Impedanz R_s verwirklicht, die Impedanz R1 ist wiederum mit J? 1 bezeichnet, die Leitungsimpedanz L ist mit Z_L angegeben, und der Hörer R ist wiederum mit R bezeichnet. Ein in F i g. 3 nicht dargestellter Mikrophonstromverstärker ist durch die Kombination der Transistoren Q1 und β 6 zusammen mit der Diode D1 und den Widerständen jR 1 und Rl verwirklicht. Die Kombination des Kurzschlusses zwischen den Knotenpunkten c und d mit dem Stromverstärker A im Hörerzweig besteht aus den Transistoren Q1,Q3,Q4 und β5, den Widerständen R3, R4, R5, R6 und R_R sowie den Dioden D 2 und D 3. Die Trennung zwischen der Leitung und den beiden Stromverstärkern wird durch den Transistor β 7 zusammen mit den Widerständen R7 und RS sowie den Kondensatoren Cl und C 2 erreicht.

Im Mikrophonverstärker stellt der Transistor β 6 eine hohe Eingangsimpedanz für das Mikrophon T bereit. Seine Vorspannung wird über den Widerstand R_s vom Hörerverstärker gewonnen. Die Diode Dl erhöht die Gleichspannung an der Basis des Transistors β1, um eine direkte Kopplung zu ermöglichen. Der Widerstand Rl bildet den Emitterwiderstand für den als Emitterfolger betriebenen Transistor Q 6. Der Transistor β1 wird in Emitterschaltung betrieben, wobei Rl der.Emitterwiderstand ist. Mit der durch den Transistor ß7 bewirkten Entkopplung wird die Ausgangsimpedanz des Mikrophonverstärkers sehr groß,■■'so'daß dieser eine Stromquelle darstellt.

Im Empfangsverstärker (Hörerverstärker) wird der Kurzschluß zwischen den Knotenpunkten c und d der Brücke durch die Emitter-Eingangsimpedanz des Transistors β 3 dargestellt. Dieser Transistor wird in der Basisschaltung betrieben und verstärkt die Differenz zwischen den Strömen i_N und i_s. Dieser Differenzstrom fließt über den Widerstand R 3 und erzeugt eine Spannung an der Basis des Transistors β 4. Die Transistoren β 4 und β 2 sind als Darlington-Emitterfol'gep geschaltet und bieten dem Widerstand R 3 eine hofe-Impedanz dar. Der Widerstand K_Ä ist der Einitterwiderstand. Da der Strom i_R unabhängig von der Impedanz des Hörers R ist, wirkt die Kombination der Transistoren, ß2 und β 4 als Stromquelle in Reihe mit dem. Hfef Jk.

Für die benutzte .Gleichstromkopplung muß für einen über die Transistoren β 3 und β 5 fließenden Gleichstrom I₂ gesorgt werden. Zur Erzielung dieser Stabilisierung ist ein Parallelweg für einen Strorfl J₁ über den Widerstands, die DiodenD1 und D3 sowie den Widerstands6 vorgesehen. Der Strom I₁ wird bestimmt durch die Spannung über dem Kondensator Cl, abzüglich des Spannungsabfalles über den DiodenDl und D3 sowie die Widerständet5 und R6. Folglich ist die Spannung an der Basis des Transistors β 5 gleich der Summe aus dem Spannungsabfall am Widerstand R 6 durch den Strom I₁ und des Spannungsabfalles über der Diode D 3. Nimmt man an, daß die Basis-Emitter-Spannung des Transistors β 5 gleich der Spannung über der Diode D 3 ist, so wird die Spannung über dem Widerstand R 4 gleich der Spannung über dem Widerstand R6 sein. Die Spannung über dem Widerstand R 4 bestimmt den Strom I₂, der über die Transistoren β 5 und β 3 und den Widerstand R 3 fließt. Im Ergebnis werden, wenn die beiden Widerstände jR4 und R 6 den gleichen Wert haben, die beiden Ströme I₁ und I₂ etwa gleich sein, wobei der Strom I₁ in der Hauptsache durch die Widerstände R 5 und R 6 bestimmt ist. Die angegebene Stromgleichheit läßt sich jedoch nur erreichen, wenn die Basis-Emitter-Diode des Transistors β 5 und die Diode D 3 etwa identisch sind. Das läßt sich leicht mit Hilfe von Verfahren erreichen, die bei integrierten Schaltungen üblich sind.

Die Betriebsweise im Sendefall ist gekennzeichnet durch das Anlegen einer Spannungsänderung an die Basis des Transistors β 6, die sich aus dem durch das Mikrophon T erzeugten Strom ergibt. Diese Spannungsänderung erzeugt einen über den Widerstand R_s fließenden Strom i_s, während gleichzeitig ein Mikrophonverstärker-Ausgangsstrom i_T am Kollektor des Transistors β 1 erzeugt wird, wie angegeben. Nimmt man an, daß die Gabelschaltung abgeglichen ist und nur ein sehr kleiner Strom zum Hörer R fließt, so geht der größte Teil des Mikrophonstromes i_T direkt über die Last Z_L. Dadurch wird eine Spannung e_L über der Leitung erzeugt, die wiederum einen Strom i_N über die Netzwerkimpedanz erzeugt. Wenn die Bedingungen für das Gleichgewicht gemäß Gleichung (8) erfüllt sind und das richtige Verhältnis von Z_in zu Z_L und R_s zu R1 gegeben ist, so wird der Strom i_N gleich dem Strom i_s sein, und es kann kein Strom über den Transistor β 3 fließen, der als Empfangssignal verstärkt wird. ·

Im Empfangsfall wird keine Spannung an das Mikrophon T angelegt, und folglich erzeugt die Span-

nung auf der Leitung einen Strom im Netzwerk, der nicht durch einen Strom i_s ausgelöscht wird. Dieser Strom wird durch den Hörerverstärker verstärkt und an den Hörer gegeben.

Claims (5)

Patentansprüche: ·

1. Fernsprecher-Sprechschaltung unter Verwendung einer Ohmschen Gabelschaltung zur Rückhördämpfung, die an eine Fernsprechleitung anschaltbar ist, mit einer mehrere Zweige aufweisenden Wheatstoneschen Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zweig nur einen einzigen, ersten Ohmschen Widerstand (Rl) aufweist, daß der zweite Zweig nur einen einzigen, zweiten Ohmschen Widerstand (R 2) aufweist, daß der dritte Zweig ein nicht induktives Netzwerk (N) enthält, daß der vierte Zweig eine Stromquelle in Reihe mit einem Enn> fangswandler aufweist und daß der vierte Zweig der einzige Zweig ist, der direkt über die Leitung geschaltet ist.

2. Sprechschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht induktive Netzwerk des dritten Zweiges nur einen Ohmschen Widerstand enthält.

3. Sprechschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht induktive Netzwerk des dritten Zweiges nur ein verteiltes ÄC-Netzwerk enthält.

4. Sprechschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Zweig ein nicht induktives Netzwerk mit einer Impedanz N und der vierte Zweig einen Verstärker mit einem Ver-Stärkungsfaktor β in Reihe mit einem Empfangs-

wandler enthält, daß die Eingangsimpedanz der Schaltung bestimmt ist durch

l + ß'

und daß das Verhältnis des Stromes über den Empfangswandler zu dem von einer angeschalteten Fernsprechleitung empfangenen Eingangsstrom gleich

:ß

l + ß
ist.

5. Sprechschaltung nach Anspruch 1 zur Anschaltung an eine Fernsprechleitung mit einer Impedanz L, gesehen in die Leitung hinein, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz- und Strombeziehungen der Schaltung wie folgt lauten:

wobei Z₀, die Eingangsimpedanz des Sprechnetzwerkes ist,

wobei i_R der Strom über dem Empfangswandler ist, der sich bei einem Leitungsstrom i_in ergibt,

Rl

R2 '

wobei N die Impedanz des dritten Zweiges und Rl und R 2 der Widerstand des ersten bzw. zweiten Zweiges sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109536/188